JP5690915B2 - Non-wetting coating on fluid ejection device - Google Patents

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Description

本明細書は流体吐出装置上の被膜に関する。   The present specification relates to a coating on a fluid ejection device.

流体吐出装置(例えばインクジェットプリントヘッド)は通常、内面と、流体が吐出されるオリフィスと、外面と、を有する。流体がオリフィスから吐出されると、流体が流体吐出装置の外面上に蓄積する可能性がある。流体がオリフィス近傍の外面上に蓄積すると、更にオリフィスから吐出される流体は、蓄積された流体との相互作用により(例えば表面張力により)、意図された移動路からそらされたり完全に遮断されたりする可能性がある。   A fluid ejection device (eg, an ink jet print head) typically has an inner surface, an orifice through which fluid is ejected, and an outer surface. As fluid is ejected from the orifice, fluid may accumulate on the outer surface of the fluid ejection device. As fluid accumulates on the outer surface near the orifice, further fluid expelled from the orifice can be diverted or completely blocked from the intended path of travel by interaction with the accumulated fluid (eg, by surface tension). there's a possibility that.

表面を被覆するためにテフロン(登録商標)、フルオロカーボンポリマーなどの非湿潤性被膜を使用することができる。しかしながら、テフロン(登録商標)やフルオロカーボンポリマーは通常は柔らかく、耐久性のある被覆ではない。これらの被膜はまた、高価でかつパターン化が困難である。   Non-wetting coatings such as Teflon® and fluorocarbon polymers can be used to coat the surface. However, Teflon and fluorocarbon polymers are usually soft and not durable coatings. These coatings are also expensive and difficult to pattern.

一態様において、流体吐出装置は、外面と外面内のオリフィスへの流体の流路を画成する内面とを有する基板と、外面の少なくとも一部を被覆し、かつ流路内に実質的に存在しない非湿潤性被膜と、を含む。非湿潤性被膜は、分子集合体で構成される。   In one aspect, a fluid ejection device includes a substrate having an outer surface and an inner surface defining a fluid flow path to an orifice in the outer surface, covering at least a portion of the outer surface and substantially present in the flow path. Non-wetting coating. The non-wetting film is composed of molecular aggregates.

実施形態は、以下の一つ又は複数を含んでいてもよい。基板とは異なる組成の無機シード層が基板の内面と外面とを被覆していてもよく、非湿潤性被膜はシード層上に直接配置されていてもよい。基板は単結晶シリコンで構成されていてもよく、シード層は酸化シリコンであってもよい。非湿潤性被膜は、基板上に直接配置されていてもよい。非湿潤性被膜は、一端がCF基で終端された炭素鎖を有する分子を含む。非湿潤性被膜は、トリデカフルオロ1,1,2,2テトラヒドロオクチルトリクロロシラン(FOTS)及び1H,1H,2H,2Hペルフルオロデシル−トリクロロシラン(FDTS)からなる群の少なくとも一つの前駆体で構成される分子を含んでいてもよい。非湿潤性被膜は、50〜1000オングストロームの厚さを有していてもよい。非湿潤性被膜は、実質的に化学結合なしで実質的に分子間力により分子集合体内に保持される複数の同一分子を含んでいてもよい。 Embodiments may include one or more of the following. An inorganic seed layer having a composition different from that of the substrate may cover the inner surface and the outer surface of the substrate, and the non-wetting film may be disposed directly on the seed layer. The substrate may be composed of single crystal silicon, and the seed layer may be silicon oxide. The non-wetting film may be placed directly on the substrate. Non-wetting coatings include molecules with carbon chains terminated at one end with a CF 3 group. The non-wetting coating is composed of at least one precursor of the group consisting of tridecafluoro 1,1,2,2 tetrahydrooctyltrichlorosilane (FOTS) and 1H, 1H, 2H, 2H perfluorodecyl-trichlorosilane (FDTS). It may contain molecules that are The non-wetting coating may have a thickness of 50 to 1000 angstroms. The non-wetting coating may comprise a plurality of identical molecules that are retained within the molecular assembly by substantially intermolecular forces with substantially no chemical bonds.

別の態様において、流体吐出装置上に非湿潤性被膜を形成する方法は、流体吐出装置を第1の温度でチャンバ内に保持する工程と、非湿潤性被膜の前駆体を、第1の温度よりも高い第2の温度でチャンバ内に流す工程と、を含む。   In another aspect, a method of forming a non-wetting film on a fluid ejection device includes: maintaining the fluid ejection device in a chamber at a first temperature; and a precursor of the non-wetting film at a first temperature. Flowing into the chamber at a higher second temperature.

実施形態は、以下の一つ又は複数を含んでいてもよい。流体吐出装置を保持するチャンバ内の支持体は、チャンバに前駆体のガスを供給するためのガスマニホルドよりも、低い温度に維持されてもよい。支持体とガスマニホルドとの温度差が少なくとも70℃であってもよい。支持体は室温よりも低い温度に冷却されてもよく、ガスマニホルドは室温以上に維持されてもよい。支持体は室温に維持されてもよく、ガスマニホルドは室温よりも高い温度に加熱されてもよい。前駆体は、トリデカフルオロ1,1,2,2テトラヒドロオクチルトリクロロシラン(FOTS)又は1H,1H,2H,2Hペルフルオロデシル−トリクロロシラン(FDTS)の少なくとも一つを含んでいてもよい。非湿潤性被膜は、流体吐出装置の流体吐出用の流路を画成する内面から除去されてもよい。   Embodiments may include one or more of the following. The support in the chamber holding the fluid ejection device may be maintained at a lower temperature than the gas manifold for supplying precursor gas to the chamber. The temperature difference between the support and the gas manifold may be at least 70 ° C. The support may be cooled to a temperature below room temperature, and the gas manifold may be maintained above room temperature. The support may be maintained at room temperature and the gas manifold may be heated to a temperature above room temperature. The precursor may include at least one of tridecafluoro 1,1,2,2 tetrahydrooctyltrichlorosilane (FOTS) or 1H, 1H, 2H, 2H perfluorodecyl-trichlorosilane (FDTS). The non-wetting film may be removed from the inner surface that defines the fluid ejection flow path of the fluid ejection device.

別の態様において、流体吐出装置は、外面と外面内のオリフィスへの流体の流路を画成する内面とを有する基板と、少なくとも基板の外面を被覆し、基板とは異なる組成のシード層と、シード層上の非湿潤性被膜であって、外面の少なくとも一部を被覆し、流路内に実質的に存在しない、非湿潤性被膜と、を含む。シード層は、無機母材内にトラップされた水分子を含む。シード層は、内側部分と内側部分よりも基板から遠い外側部分とを含む。外側部分は、内側部分よりも高い水分子の濃度を有する。   In another aspect, a fluid ejection device includes a substrate having an outer surface and an inner surface defining a fluid flow path to an orifice in the outer surface, and a seed layer covering at least the outer surface of the substrate and having a composition different from the substrate. A non-wetting coating on the seed layer that covers at least a portion of the outer surface and is substantially non-existent in the flow path. The seed layer includes water molecules trapped in the inorganic matrix. The seed layer includes an inner portion and an outer portion that is farther from the substrate than the inner portion. The outer part has a higher concentration of water molecules than the inner part.

実施形態は、以下の一つ又は複数を含んでいてもよい。シード層は、約200nmまでの合計厚を有していてもよい。外側部分は、約50〜500オングストロームの厚さを有していてもよい。シード層の母材は、無機酸化物であってもよい。無機酸化物は、二酸化シリコンであってもよい。非湿潤性被膜は、二酸化シリコンに結合されたシロキサンを含んでいてもよい。シード層は、内面を被覆していてもよい。   Embodiments may include one or more of the following. The seed layer may have a total thickness up to about 200 nm. The outer portion may have a thickness of about 50-500 angstroms. The base material of the seed layer may be an inorganic oxide. The inorganic oxide may be silicon dioxide. The non-wetting coating may include a siloxane bonded to silicon dioxide. The seed layer may cover the inner surface.

別の態様において、流体吐出装置上に非湿潤性被膜を形成する方法は、無機母材内にトラップされた水分子を含むシード層を基板の外面上に堆積する工程と、非湿潤性被膜をシード層上に堆積する工程と、を含む。層の堆積工程は、第1の水の分圧と母材前駆体の分圧との比でシード層の内側部分を基板上に堆積する工程と、第1の比より大きい第2の水の分圧と母材前駆体の分圧との比でシード層の外側部分を内側部分上に堆積する工程と、を含む。   In another aspect, a method of forming a non-wetting film on a fluid ejection device includes depositing a seed layer containing water molecules trapped in an inorganic matrix on an outer surface of a substrate; Depositing on the seed layer. The layer deposition step includes depositing the inner portion of the seed layer on the substrate at a ratio of the partial pressure of the first water and the partial pressure of the base material precursor, and the second water larger than the first ratio. Depositing the outer portion of the seed layer on the inner portion at a ratio of the partial pressure to the partial pressure of the matrix precursor.

実施形態は、以下の一つ又は複数を含んでいてもよい。無機母材は、二酸化シリコンであってもよい。基板は、単結晶シリコンであってもよい。非湿潤性被膜は、シード層に化学的に結合されたシロキサンを含んでいてもよい。母材前駆体は、SiClを含んでいてもよい。第1のHO:SiClの比は、2:1よりも小さくてもよい。第2のHO:SiClの比は、2:1よりも大きくてもよい。外側部分は、約50〜500オングストロームの厚さを有していてもよい。 Embodiments may include one or more of the following. The inorganic base material may be silicon dioxide. The substrate may be single crystal silicon. The non-wetting coating may include siloxane chemically bonded to the seed layer. The base material precursor may contain SiCl 4 . The first H 2 O: SiCl 4 ratio may be less than 2: 1. The second H 2 O: SiCl 4 ratio may be greater than 2: 1. The outer portion may have a thickness of about 50-500 angstroms.

別の態様において、流体吐出装置は、外面と外面内のオリフィスへの流体の流路を画成する内面とを有する基板と、基板の外面の少なくとも一部を被覆し、基板とは異なる組成のシード層と、シード層の上の非湿潤性被膜であって、外面の少なくとも一部を被覆し、流路内に実質的に存在しない、非湿潤性被膜と、を含む。シード層は、第1の密度を有する内側部分と内側部分よりも基板から遠い外側部分とを含み、外側部分は、第1の密度よりも高い第2の密度を有する。   In another aspect, a fluid ejection device includes a substrate having an outer surface and an inner surface defining a fluid flow path to an orifice in the outer surface, and covering at least a portion of the outer surface of the substrate and having a composition different from that of the substrate. A seed layer and a non-wettable coating on the seed layer that covers at least a portion of the outer surface and is substantially absent in the flow path. The seed layer includes an inner portion having a first density and an outer portion that is further from the substrate than the inner portion, the outer portion having a second density that is higher than the first density.

実施形態は、以下の一つ又は複数を含んでいてもよい。シード層は、二酸化シリコンを含んでいてもよい。基板は、単結晶シリコンであってもよい。非湿潤性被膜は、シード層に化学的に結合されたシロキサンを含んでいてもよい。第1の密度は、約2.0g/cmであってもよい。第2の密度は、少なくとも2.4g/cm(例えば約2.7g/cm)であってもよい。第2の密度は、第1の密度よりも少なくとも約0.3g/cm高くてもよい。外側部分の厚さは、約40オングストロームであってもよい。 Embodiments may include one or more of the following. The seed layer may include silicon dioxide. The substrate may be single crystal silicon. The non-wetting coating may include siloxane chemically bonded to the seed layer. The first density may be about 2.0 g / cm 3 . The second density may be at least 2.4 g / cm 3 (eg, about 2.7 g / cm 3 ). The second density may be at least about 0.3 g / cm 3 higher than the first density. The outer portion may have a thickness of about 40 angstroms.

別の態様において、流体吐出装置上に非湿潤性被膜を形成する方法は、シード層を基板の外面上に堆積する工程と、外面上のシード層に酸素プラズマを当てる工程と、非湿潤性被膜を外面上のシード層上に堆積する工程と、を含む。   In another aspect, a method of forming a non-wetting film on a fluid ejection device includes depositing a seed layer on an outer surface of a substrate, applying oxygen plasma to the seed layer on the outer surface, and a non-wetting film. Depositing on the seed layer on the outer surface.

実施形態は、以下の一つ又は複数を含んでいてもよい。シード層は、外面内のオリフィスへの流体の流路を画成する基板の内面上に堆積されてもよい。非湿潤性被膜は、内面上に堆積されてもよい。内面上の非湿潤性被膜は、除去されてもよい。シード層は、二酸化シリコンを含んでいてもよい。基板は、単結晶シリコンであってもよい。非湿潤性被膜は、シード層に化学的に接合するシロキサンを含んでいてもよい。シード層の少なくとも一部は、酸化シリコンを形成する化学反応において消費される水母材比よりも大きい水の分圧と母材前駆体の分圧との比で堆積されてもよい。母材前駆体は、SiClを含んでいてもよい。水の分圧と母材前駆体の分圧との比は、2:1よりも大きくてもよい。 Embodiments may include one or more of the following. A seed layer may be deposited on the inner surface of the substrate that defines a fluid flow path to an orifice in the outer surface. A non-wetting coating may be deposited on the inner surface. The non-wetting film on the inner surface may be removed. The seed layer may include silicon dioxide. The substrate may be single crystal silicon. The non-wetting coating may include siloxane that is chemically bonded to the seed layer. At least a portion of the seed layer may be deposited at a ratio of the partial pressure of water and the partial pressure of the matrix precursor that is greater than the ratio of the matrix that is consumed in the chemical reaction that forms the silicon oxide. The base material precursor may contain SiCl 4 . The ratio of the partial pressure of water and the partial pressure of the matrix precursor may be greater than 2: 1.

いくつかの実施形態は、次の利点の一つ又は複数を有することができる。オリフィスを囲む外面は非湿潤性であることができ、吐出される流体と接触する内面は湿潤性であることができる。非湿潤性被膜は流体吐出装置の外面上への流体の蓄積を低減することができ、これにより流体吐出装置の信頼性を改善することができる。非湿潤性被膜は、より高密度であることができ、これにより、非湿潤性被膜をより広範囲の流体に対してより耐久性を高めかつ不溶性とすることができる。非湿潤性被膜下のシード層は、より高密度であることができ、これにより、シード層をより広範囲の流体に対してより耐久性を高めかつ不溶性とすることができる。非湿潤性被膜は、より厚くすることができ、これにより、非湿潤性被膜の耐久性を改善することができる。オーバーコート層が、流体吐出装置の内面を覆うことができる。吐出される流体と接触する面上の高湿潤性オーバーコート層は、液滴サイズ、吐出速度、及び他の流体吐出特性に関する制御を改善することができる。   Some embodiments may have one or more of the following advantages. The outer surface surrounding the orifice can be non-wetting and the inner surface in contact with the fluid to be ejected can be wettable. Non-wetting coatings can reduce fluid accumulation on the outer surface of the fluid ejection device, thereby improving the reliability of the fluid ejection device. Non-wetting coatings can be denser, which makes them non-wetting and more durable and insoluble to a wider range of fluids. The seed layer under the non-wetting coating can be denser, thereby making the seed layer more durable and insoluble for a wider range of fluids. The non-wetting film can be thicker, which can improve the durability of the non-wetting film. The overcoat layer can cover the inner surface of the fluid ejection device. A highly wettable overcoat layer on the surface in contact with the fluid being ejected can improve control over droplet size, ejection speed, and other fluid ejection characteristics.

図1Aは、例示的な流体吐出装置の断面図である。FIG. 1A is a cross-sectional view of an exemplary fluid ejection device. 図1Bは、図1Aの流体吐出装置のノズルの拡大図である。1B is an enlarged view of a nozzle of the fluid ejection device in FIG. 1A. 図2Aは、非湿潤性被膜単分子層の概略図である。FIG. 2A is a schematic diagram of a non-wetting film monolayer. 図2Bは、非湿潤性被膜集合体の概略図である。FIG. 2B is a schematic view of a non-wetting film assembly. 図2Cは、非湿潤性被膜の例示的な分子の化学構造の概略図である。FIG. 2C is a schematic diagram of an exemplary molecular chemical structure of a non-wetting coating. 図3Aは、流体吐出装置を形成する例示的な工程を示す。FIG. 3A illustrates an exemplary process for forming a fluid ejection device. 図3Bは、流体吐出装置を形成する例示的な工程を示す。FIG. 3B illustrates an exemplary process for forming a fluid ejection device. 図3Cは、流体吐出装置を形成する例示的な工程を示す。FIG. 3C illustrates an exemplary process for forming a fluid ejection device. 図3Dは、流体吐出装置を形成する例示的な工程を示す。FIG. 3D illustrates an exemplary process for forming a fluid ejection device. 図3Eは、流体吐出装置を形成する例示的な工程を示す。FIG. 3E illustrates an exemplary process for forming a fluid ejection device. 図3Fは、流体吐出装置を形成する例示的な工程を示す。FIG. 3F illustrates an exemplary process for forming a fluid ejection device. 図3Gは、流体吐出装置を形成する例示的な工程を示す。FIG. 3G illustrates an exemplary process for forming a fluid ejection device. 図4は、非湿潤性被膜のシード層を含まない別の例示的な流体吐出装置におけるノズルの断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a nozzle in another exemplary fluid ejection device that does not include a seed layer of non-wetting coating. 図5Aは、オーバーコート層を含む別の例示的な流体吐出装置におけるノズルの断面図である。FIG. 5A is a cross-sectional view of a nozzle in another exemplary fluid ejection device that includes an overcoat layer. 図5Bは、図5Aに示す流体吐出装置を形成する例示的な工程における一段階を示す。FIG. 5B shows one stage in an exemplary process for forming the fluid ejection device shown in FIG. 5A.

図1Aは、流体吐出装置100(例えばインクジェットプリントヘッドのノズル)の断面図であり、本明細書では検討されないその態様は米国特許出願公開第2008−0020573号明細書(その全体を参照として本明細書に援用する)に記載されるように実施可能である。   FIG. 1A is a cross-sectional view of a fluid ejection device 100 (e.g., a nozzle of an inkjet printhead), and aspects not discussed herein are described in U.S. Patent Application Publication No. 2008-0020573 (hereby incorporated by reference in its entirety). (Incorporated in the text).

流体吐出装置100は、流体流路104が形成された基板102を含む。基板102は、流路体110と、ノズル層112と、膜層114とを含むことができる。流体流路104は、流体入口120と、上行路122と、膜層114に隣接するポンプ室124と、下行路126と、ノズル層112を貫通して形成されるノズル128とを含むことができる。流路体110、ノズル層112及び膜層114は、それぞれシリコン(例えば単結晶シリコン)であってもよい。いくつかの実施形態では、流路体110、ノズル層112及び膜層114は、互いに融着(シリコン間結合)されている。いくつかの実施形態では、流路モジュール110及びノズル層112は、モノリシック体の一部である。   The fluid ejection device 100 includes a substrate 102 on which a fluid channel 104 is formed. The substrate 102 can include a flow path body 110, a nozzle layer 112, and a film layer 114. The fluid flow path 104 can include a fluid inlet 120, an ascending path 122, a pump chamber 124 adjacent to the membrane layer 114, a descending path 126, and a nozzle 128 formed through the nozzle layer 112. . Each of the flow path body 110, the nozzle layer 112, and the film layer 114 may be silicon (for example, single crystal silicon). In some embodiments, the channel body 110, the nozzle layer 112, and the membrane layer 114 are fused together (inter-silicon bond). In some embodiments, the channel module 110 and the nozzle layer 112 are part of a monolithic body.

アクチュエータ130が、ポンプ室124の上の膜層114の上に置かれている。アクチュエータ130は、圧電層132と、下部電極134(例えばアース電極)と、上部電極136(例えば駆動電極)とを含むことができる。動作中、アクチュエータ130は、ポンプ室124の上の膜層114を撓ませ、ポンプ室124内の液体(例えばインク(例えば水性インク))を加圧して、その液体が下行路126を通じて流れてノズル層112内のノズル128を通じて吐出されるようにする。   An actuator 130 is placed on the membrane layer 114 above the pump chamber 124. The actuator 130 can include a piezoelectric layer 132, a lower electrode 134 (eg, a ground electrode), and an upper electrode 136 (eg, a drive electrode). In operation, the actuator 130 deflects the membrane layer 114 above the pump chamber 124, pressurizing liquid (eg, ink (eg, aqueous ink)) in the pump chamber 124, and the liquid flows through the descending path 126 to the nozzle. It is discharged through a nozzle 128 in the layer 112.

無機シード層140が、ノズル層112の外面と、流路110を画成する基板102の内面とを覆っている。無機層140は、シラン又はシロキサンの被膜の接着性を促進する材料、例えば無機酸化物(例えば二酸化シリコン(SiO))で構成されていてもよい。酸化物層の厚さは、約5nm〜約200nmであってもよい。随意的に、図1Bに示すように、無機層140の外側部分142は無機層140の残りの部分よりも高い密度を有することができる。例えば、外側部分142は2.4g/cm以上(例えば2.7g/cm)の密度を有することができ、内側部分は約2.0g/cmの密度を有することができる。外側部分142は、約60オングストローム以下の厚さ(例えば約40オングストロームの厚さ)を有することができる。シードの外側部分の密度を高めることにより、より広範囲の流体に対して耐久性及び不溶性を高めることができる。或いは、無機層140は一貫してほぼ同じ密度を有していてもよい。 An inorganic seed layer 140 covers the outer surface of the nozzle layer 112 and the inner surface of the substrate 102 that defines the flow path 110. The inorganic layer 140 may be made of a material that promotes adhesion of a silane or siloxane film, such as an inorganic oxide (eg, silicon dioxide (SiO 2 )). The thickness of the oxide layer may be about 5 nm to about 200 nm. Optionally, as shown in FIG. 1B, the outer portion 142 of the inorganic layer 140 can have a higher density than the rest of the inorganic layer 140. For example, the outer portion 142 can have a density of 2.4 g / cm 3 or greater (eg, 2.7 g / cm 3 ), and the inner portion can have a density of about 2.0 g / cm 3 . The outer portion 142 can have a thickness of about 60 angstroms or less (eg, about 40 angstroms thick). Increasing the density of the outer portion of the seed can increase durability and insolubility for a wider range of fluids. Alternatively, the inorganic layer 140 may consistently have approximately the same density.

随意的に、図1Bに示すように、無機層140の外側部分144は、無機層140の残りの部分よりも高い濃度で水をトラップすることができる。外側部分144の厚さは、約50〜500オングストロームである。水濃度を高めることにより、無機層140の表面における−OH基の濃度を上昇させ、これにより非湿潤性被膜の分子の付着点の濃度を高めて、非湿潤性被膜の密度を高めることができる。しかしながら、無機層140の表面における−OH基のより高い濃度はまた、無機層自体の化学的耐性を低める可能性がある。或いは、無機層144は一貫してほぼ同じ水濃度を有していてもよい。   Optionally, as shown in FIG. 1B, the outer portion 144 of the inorganic layer 140 can trap water at a higher concentration than the rest of the inorganic layer 140. The thickness of the outer portion 144 is about 50-500 angstroms. By increasing the water concentration, the concentration of —OH groups on the surface of the inorganic layer 140 can be increased, thereby increasing the concentration of the adhesion points of the molecules of the non-wetting film, thereby increasing the density of the non-wetting film. . However, higher concentrations of -OH groups at the surface of the inorganic layer 140 may also reduce the chemical resistance of the inorganic layer itself. Alternatively, the inorganic layer 144 may consistently have approximately the same water concentration.

水濃度が高い外側部分144と密度が高い外側部分142とは、個々に存在してもよいし或いは組み合わされて存在してもよい。   The outer portion 144 having a high water concentration and the outer portion 142 having a high density may be present individually or in combination.

非湿潤性被膜150(例えば疎水性材料の層)が、流体吐出装置100の外面上の無機層140を覆っていて、例えば、非湿潤性被膜は流路104内に存在しない。図2Aに示すように、非湿潤性被膜150は自己組織化単分子層、即ち単一の分子の層であってもよい。このような非湿潤性被膜単分子層150の厚さは、約10〜20オングストローム(例えば約15オングストローム)である。或いは、図2Bに示すように、非湿潤性被膜150は分子集合体であってもよい。分子集合体内では、分子152は、互いに離れているが、イオン結合又は共有結合ではなく分子間力(例えば、水素結合及び/又はファンデルワールス力)により集合体として保持される。このような非湿潤性被膜集合体150の厚さは、約50〜1000オングストロームである。非湿潤性被膜の厚さの増加により、非湿潤性被膜を、より広範囲の流体に対しより耐久性がありかつ耐性のあるものにする。   A non-wetting coating 150 (eg, a layer of hydrophobic material) covers the inorganic layer 140 on the outer surface of the fluid ejection device 100, for example, no non-wetting coating is present in the flow path 104. As shown in FIG. 2A, the non-wetting coating 150 may be a self-assembled monolayer, ie a layer of a single molecule. The thickness of such a non-wetting film monolayer 150 is about 10-20 angstroms (eg, about 15 angstroms). Alternatively, as shown in FIG. 2B, the non-wetting film 150 may be a molecular assembly. Within a molecular assembly, the molecules 152 are separated from each other but are held as an assembly by intermolecular forces (eg, hydrogen bonds and / or van der Waals forces) rather than ionic or covalent bonds. The thickness of such a non-wetting coating assembly 150 is about 50 to 1000 angstroms. Increasing the thickness of the non-wetting coating makes the non-wetting coating more durable and resistant to a wider range of fluids.

非湿潤性被膜の分子は、一端が−CF基によって終端された一つ又は複数の炭素鎖を含むことができる。炭素鎖の他端は、SiCl基で終端されてもよいし、或いは分子が酸化シリコン層140に結合される場合は、酸化シリコン層の酸素原子に結合されるSi原子で終端されてもよい(Si原子の残りの結合は、隣接する非湿潤性被膜分子の末端Si原子にも結合される酸素原子、又はOH基、或いはその両方で満たされていてもよい。一般的には、非湿潤性被膜の密度が高いほど、このようなOH基の濃度は低くなる)。炭素鎖は、完全に飽和していてもよいし、或いは部分的に不飽和であってもよい。炭素鎖内の炭素原子のいくつかについては、水素原子をフッ素で置換することができる。炭素鎖中の炭素の数は、3〜10であってもよい。例えば、炭素鎖は(CH(CFCFであってよいであろう(ここで、M≧2、N≧0、M+N≧2、例えば(CH(CFCF)。 Non-wetting film molecules can include one or more carbon chains terminated at one end by a —CF 3 group. The other end of the carbon chain may be terminated with a SiCl 3 group, or when the molecule is bonded to the silicon oxide layer 140, it may be terminated with a Si atom bonded to an oxygen atom in the silicon oxide layer. (The remaining bonds of Si atoms may be filled with oxygen atoms, OH groups, or both, which are also bonded to terminal Si atoms of adjacent non-wetting film molecules. In general, non-wetting The higher the density of the functional coating, the lower the concentration of such OH groups). The carbon chain may be fully saturated or partially unsaturated. For some of the carbon atoms in the carbon chain, the hydrogen atom can be replaced with fluorine. The number of carbons in the carbon chain may be 3-10. For example, the carbon chain could be (CH 2 ) M (CF 2 ) N CF 3 (where M ≧ 2, N ≧ 0, M + N ≧ 2, eg (CH 2 ) 2 (CF 2 ) 7 CF 3).

図2Cに示すように、基板102に隣接する非湿潤性被膜(即ち、単分子層又は基板に隣接する分子集合体の一部)の分子は、無機層140の酸化シリコンとの結合を形成するシロキサンであってもよい。   As shown in FIG. 2C, the molecules of the non-wetting coating (ie, a monolayer or part of a molecular assembly adjacent to the substrate) adjacent to the substrate 102 form a bond with the silicon oxide of the inorganic layer 140. Siloxane may be used.

流体吐出装置(例えばインクジェットプリントヘッドのノズル)上に非湿潤性被膜を形成する工程は、図3Aに示すように、被覆されていない基板102で始まる。被覆されていない基板102は、単結晶シリコンで構成されていてもよい。いくつかの実施形態では、自然酸化物層(自然酸化物の厚さは通常1〜3nmである)が基板102の表面上に既に存在する。   The process of forming a non-wetting film on a fluid ejection device (eg, an inkjet printhead nozzle) begins with an uncoated substrate 102, as shown in FIG. 3A. The uncoated substrate 102 may be composed of single crystal silicon. In some embodiments, a native oxide layer (the native oxide thickness is typically 1-3 nm) is already present on the surface of the substrate 102.

無機シード層140により被覆される表面を、被覆前に例えば酸素プラズマを当てることにより洗浄することができる。この工程では、誘導結合プラズマ(ICP:inductively coupled plasma)源が、有機材料をエッチングして清浄な酸化物表面をもたらす活性酸素ラジカルを生成するために使用される。   The surface to be coated with the inorganic seed layer 140 can be cleaned by, for example, applying oxygen plasma before coating. In this process, an inductively coupled plasma (ICP) source is used to generate active oxygen radicals that etch organic materials to yield a clean oxide surface.

図3Bに示すように、無機シード層140は、内面と外面とを含む流体吐出装置の露出面上(例えばノズル層112及び流体流路104の外側)に堆積される。SiOの無機シード層140は、被覆されていない流体吐出装置100を収納した化学気相堆積(CVD)反応炉内にSiCl及び水蒸気を導入することにより、ノズル層112及び流路モジュール104の露出面上に形成可能である。チャンバ内が減圧された後に、CVDチャンバと真空ポンプとの間のバルブが閉じられ、SiClとHOとの蒸気がチャンバ内に導入される。SiClの分圧は0.05〜40Torr(例えば0.1〜5Torr)であってもよく、HOの分圧は0.05〜20Torr(例えば0.2〜10Torr)であってもよい。シード層140は、室温付近から約100℃の間の温度に加熱される基板上に堆積されてもよい。例えば、基板は加熱されなくてもよいかもしれないが、CVDチャンバは35℃に加熱されてもよい。 As shown in FIG. 3B, the inorganic seed layer 140 is deposited on the exposed surface of the fluid ejection device including the inner surface and the outer surface (eg, outside the nozzle layer 112 and the fluid flow path 104). The inorganic seed layer 140 of SiO 2 is introduced into the nozzle layer 112 and the flow path module 104 by introducing SiCl 4 and water vapor into a chemical vapor deposition (CVD) reactor containing the uncoated fluid discharge device 100. It can be formed on the exposed surface. After the pressure in the chamber is reduced, the valve between the CVD chamber and the vacuum pump is closed, and vapors of SiCl 4 and H 2 O are introduced into the chamber. The partial pressure of SiCl 4 may be 0.05 to 40 Torr (eg 0.1 to 5 Torr), and the partial pressure of H 2 O may be 0.05 to 20 Torr (eg 0.2 to 10 Torr). . The seed layer 140 may be deposited on a substrate that is heated to a temperature between about room temperature and about 100 degrees Celsius. For example, the substrate may not be heated, but the CVD chamber may be heated to 35 ° C.

CVD製造工程のいくつかの実施形態では、シード層140は、HOの分圧とSiClの分圧との比が異なる二段階の処理で堆積される。具体的には、シード層の外側部分144を配置する第2の工程では、HO:SiClの分圧比は、基板102により近いシード層の部分を配置する第1の工程における比よりも大きくてもよい。第1の工程は、第2の工程よりも高いHOの分圧で実行可能である。いくつかの実施形態では、第1の工程ではHO:SiClの分圧比は2:1よりも小さくてもよく(例えば約1:1)、第2の工程ではHO:SiClの分圧比は2:1以上であってよい(例えば、2:1〜3:1)。例えば、SiClの分圧は、両工程において約2Torrであってもよく、HOの分圧は、第1の工程では約2Torr、第2の工程では約4〜6Torrであってもよい。第2の工程は、外側部分144が約50〜500オングストロームの厚さを有するように十分な持続時間で行われてもよい。 In some embodiments of the CVD manufacturing process, the seed layer 140 is deposited in a two-step process with different ratios of H 2 O partial pressure and SiCl 4 partial pressure. Specifically, in the second step of disposing the outer portion 144 of the seed layer, the H 2 O: SiCl 4 partial pressure ratio is greater than the ratio in the first step of disposing the portion of the seed layer that is closer to the substrate 102. It can be large. The first step can be performed with a higher partial pressure of H 2 O than the second step. In some embodiments, the H 2 O: SiCl 4 partial pressure ratio may be less than 2: 1 (eg, about 1: 1) in the first step and H 2 O: SiCl 4 in the second step. The partial pressure ratio may be 2: 1 or more (for example, 2: 1 to 3: 1). For example, the partial pressure of SiCl 4 may be about 2 Torr in both steps, and the partial pressure of H 2 O may be about 2 Torr in the first step and about 4-6 Torr in the second step. . The second step may be performed for a sufficient duration so that the outer portion 144 has a thickness of about 50-500 angstroms.

いかなる特定理論にも限定されないが、より大きなHO:SiClの分圧比で第2の堆積工程を行うことにより、より高い濃度のHOが外側部分144のSiO母材内にトラップされる。その結果、より高い濃度の−OH基が無機層140の表面に存在することができる。 Without being limited to any particular theory, a higher concentration of H 2 O is trapped in the SiO 2 matrix of the outer portion 144 by performing the second deposition step at a higher partial pressure ratio of H 2 O: SiCl 4. Is done. As a result, a higher concentration of —OH groups can be present on the surface of the inorganic layer 140.

より大きなHO:SiClの分圧比で第2の堆積工程を実行することに代えて又は加えて、第2の堆積工程を第1の工程よりも低い基板温度で実行してもよい。例えば、第1の堆積工程は基板が約50〜60℃で、第2の堆積工程は約35℃で、それぞれ実行可能である。いかなる特定理論にも限定されないが、より低い温度で第2の堆積工程を実行することも、無機層140の表面に存在する−OH基の濃度を増加させる。 Instead of or in addition to performing the second deposition step at a higher partial pressure ratio of H 2 O: SiCl 4 , the second deposition step may be performed at a lower substrate temperature than the first step. For example, the first deposition step can be performed at about 50-60 ° C. for the substrate and the second deposition step at about 35 ° C., respectively. Without being limited to any particular theory, performing the second deposition step at a lower temperature also increases the concentration of —OH groups present on the surface of the inorganic layer 140.

製造工程のいくつかの実施形態では、シード層140全体が、温度又はより大きなHO:SiClの分圧比の変更なしに単一の連続工程で堆積されてもよい。再び、いかなる特定理論にも限定されないが、これにより、SiO母材内にトラップされたHOの濃度をシード層140全体にわたってより均一にすることができる。 In some embodiments of the manufacturing process, the entire seed layer 140 may be deposited in a single continuous process without changing the temperature or greater H 2 O: SiCl 4 partial pressure ratio. Again, without being limited to any particular theory, this can make the concentration of H 2 O trapped in the SiO 2 matrix more uniform across the seed layer 140.

無機シード層140の合計厚は約5nm〜約200nmである。吐出されるいくつかの流体について、無機層の厚さによって性能が影響を受ける可能性がある。いくつかの「困難な」流体について、例えば30nm以上(例えば40nm以上又は50nm以上)の厚い層は性能を改善する。このような「困難な」流体として、例えば、様々な導電性ポリマー及び発光性ポリマー(例えば、ポリ−3,4−エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT)、又はDow ChemicalのDOW Green K2などの発光性ポリマー、更には化学的活性度が高い顔料及び/又は分散剤を含むインクなどの、化学的活性度が高いインクを挙げることができる。   The total thickness of the inorganic seed layer 140 is about 5 nm to about 200 nm. For some fluids ejected, performance can be affected by the thickness of the inorganic layer. For some “difficult” fluids, a thick layer, eg, 30 nm or more (eg, 40 nm or more, or 50 nm or more) improves performance. Such “difficult” fluids include, for example, luminescent properties such as various conductive and luminescent polymers (eg, poly-3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) or Dow Chemical's DOW Green K2. Mention may be made of inks having a high chemical activity, such as inks containing polymers and also pigments and / or dispersants having a high chemical activity.

次に、流体吐出装置を酸素Oプラズマ処理工程に付すことができる。具体的には、無機シード層140の内面及び外面の両方がOプラズマに晒される。酸素プラズマ処理は、例えばYield Engineering Systemsの陽極結合プラズマ器において、O流速80sccm、圧力0.2Torr、RF電力500W、及び処理時間5分で実行可能である。 Next, the fluid ejection device can be subjected to an oxygen O 2 plasma treatment process. Specifically, both the inner and outer surfaces of the inorganic seed layer 140 are exposed to O 2 plasma. The oxygen plasma treatment can be performed, for example, in a Yield Engineering Systems anode-coupled plasma device with an O 2 flow rate of 80 sccm, a pressure of 0.2 Torr, an RF power of 500 W, and a treatment time of 5 minutes.

図3Cに示すように、Oプラズマ処理は酸化シリコンシード層140の外側部分142を緻密にすることができる。例えば、外側部分142は2.4g/cm以上の密度を有することができ、シード層140の下側部分は約2.0g/cmの密度を有することができる。更に、Oプラズマ処理は、外側部分(例えば外側部分144)が大きいHO:SiClの分圧比で(例えば2:1より大きいHO:SiClの圧力比で)堆積されていた場合に、緻密化により有効である。このような場合、外側部分142は、約2.7g/cmの密度を有することができる。外側部分142は、約40オングストロームの厚さを有することができる。 As shown in FIG. 3C, the O 2 plasma treatment can make the outer portion 142 of the silicon oxide seed layer 140 dense. For example, the outer portion 142 can have a density of 2.4 g / cm 3 or greater, and the lower portion of the seed layer 140 can have a density of about 2.0 g / cm 3 . Furthermore, the O 2 plasma treatment was deposited with an outer portion (eg, outer portion 144) at a large H 2 O: SiCl 4 partial pressure ratio (eg, at a H 2 O: SiCl 4 pressure ratio greater than 2: 1). In some cases, it is more effective by densification. In such a case, the outer portion 142 can have a density of about 2.7 g / cm 3 . The outer portion 142 can have a thickness of about 40 angstroms.

次に、図3Dに示すように、非湿潤性被膜150(例えば疎水性材料の層)が、流路104の外面及び内面の両方を含む流体吐出装置の露出表面上に堆積される。非湿潤性被膜150は、ブラッシング、ローリング、又はスピニングされるのではなく、むしろ蒸着を利用して堆積可能である。   Next, as shown in FIG. 3D, a non-wetting coating 150 (eg, a layer of hydrophobic material) is deposited on the exposed surface of the fluid ejection device including both the outer and inner surfaces of the flow path 104. The non-wetting coating 150 is not brushed, rolled or spun but rather can be deposited using vapor deposition.

非湿潤性被膜150は、例えば低圧のCVD反応装置内に前駆体及び水蒸気を導入することにより、堆積させることができる。前駆体の分圧は0.05〜1Torr(例えば0.1〜0.5Torr)であってもよく、HOの分圧は0.05〜20Torr(例えば0.1〜2Torr)であってもよい。堆積温度は、室温から約100℃であってもよい。被覆処理及び無機シード層140の形成は、一例として、Applied MicroStructures,Inc.のMolecular Vapor Deposition(MVD)(商標)装置を使用して実行されてもよい。 Non-wetting coating 150 can be deposited, for example, by introducing precursors and water vapor into a low pressure CVD reactor. The partial pressure of the precursor may be 0.05 to 1 Torr (eg 0.1 to 0.5 Torr), and the partial pressure of H 2 O is 0.05 to 20 Torr (eg 0.1 to 2 Torr) Also good. The deposition temperature may be from room temperature to about 100 ° C. For example, the coating process and the formation of the inorganic seed layer 140 may be performed by Applied MicroStructures, Inc. May be implemented using a Molecular Vapor Deposition (MVD) ™ device.

非湿潤性被膜150に適する前駆体としては、一例として、非湿潤性である末端と流体吐出装置の表面に付着可能な末端とを有する分子を含む前駆体が挙げられる。例えば、一端が−CF基で第2の端が−SiCl基で終端された炭素鎖を含む前駆体分子を使用することができる。シリコン表面に付着するのに好適な前駆体の具体的な例として、トリデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロオクチルトリクロロシラン(FOTS)及び1H,1H,2H,2H−ペルフルオロデシル−トリクロロシラン(FDTS)を挙げることができる。非湿潤性被膜の他の例としては、3,3,3−トリフルオロプロピルトリクロロシラン(CF(CHSiCl)及び3,3,3,4,4,5,5,6,6,−ノナフルオロヘキシルトリクロロシラン(CF(CF(CHSiCl)が挙げられる。いかなる特定理論にも限定されないが、その分子が−SiCl末端を有する前駆体(FOTSやFDTSなど)が水蒸気と共にCVD反応装置内に導入されると、前駆体は加水分解され、次に−SiCl基からのシリコン原子が無機層165上の−OH基からの酸素原子と結合するようにシロキサン結合が生成され、他方の(即ち非湿潤性の)末端が露出された分子の被膜(単分子層など)を生じる、と考えられる。 Suitable precursors for the non-wetting coating 150 include, by way of example, precursors that include molecules having non-wetting ends and ends that can be attached to the surface of the fluid ejection device. For example, one end may be used precursor molecule comprising a carbon chain second end is terminated with 3 groups -SiCl with a -CF 3 group. Specific examples of suitable precursors for deposition on silicon surfaces include tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyltrichlorosilane (FOTS) and 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorodecyl-tri Mention may be made of chlorosilane (FDTS). Other examples of non-wetting coatings include 3,3,3-trifluoropropyltrichlorosilane (CF 3 (CH 2 ) 2 SiCl 3 ) and 3,3,3,4,4,5,5,6, 6, - nonafluorohexyl trichlorosilane (CF 3 (CF 2) 3 (CH 2) 2 SiCl 3) and the like. Without being limited to any particular theory, when a precursor whose molecule has a -SiCl 3 terminus (such as FOTS or FDTS) is introduced into the CVD reactor with water vapor, the precursor is then hydrolyzed and then -SiCl A film of molecules (single molecule) in which a siloxane bond is formed such that silicon atoms from three groups are bonded to oxygen atoms from -OH groups on the inorganic layer 165 and the other (ie non-wetting) end is exposed. Layer, etc.).

いくつかの実施形態では、非湿潤性被膜150は、自己組織化単分子層(即ち単一の分子の層)を形成する。このような非湿潤性被膜単分子層150は、約10〜20オングストローム(例えば約15オングストローム)の厚さを有することができる。   In some embodiments, the non-wetting coating 150 forms a self-assembled monolayer (ie, a single molecule layer). Such a non-wetting coating monolayer 150 can have a thickness of about 10-20 angstroms (eg, about 15 angstroms).

いくつかの実施形態では、非湿潤性被膜150は、分子集合体(例えばフルオロカーボン分子の集合体)を形成する。このような非湿潤性被膜集合体150は、約50〜1000オングストロームの厚さを有することができる。非湿潤性被膜集合体を形成するために、基板の温度は非湿潤性被膜前駆体の温度よりも低い温度に設定される。いかなる特定理論にも限定されないが、基板の温度が低いとシード層140上のフルオロカーボンの凝集を効果的に引き起こす。これは、基板支持体を、非湿潤性被膜を堆積するのに使用されるガスマニホルド(例えば、ガスのライン又は供給シリンダ)よりも低い温度にすることにより達成することができる。基板支持体とガスマニホルドとの(及び可能性として基板自体とチャンバに入るガスとの)温度差は約70℃であってもよい。例えば、基板支持体を液体窒素によって冷却して、基板支持体を約−194℃、ガスマニホルドを室温(例えば約33℃)としてもよい。別の例として、基板支持体を冷却器によって冷却して、基板支持体を約−40℃、ガスマニホルドを室温(例えば約33℃)としてもよい。別の例として、基板支持体は室温程度(例えば約33℃)に維持され、ガスマニホルドが例えば約110℃まで加熱される。   In some embodiments, the non-wetting coating 150 forms a molecular assembly (eg, an assembly of fluorocarbon molecules). Such a non-wetting coating assembly 150 can have a thickness of about 50 to 1000 Angstroms. In order to form a non-wetting film assembly, the temperature of the substrate is set to a temperature lower than the temperature of the non-wetting film precursor. Without being limited to any particular theory, a low substrate temperature effectively causes aggregation of fluorocarbons on the seed layer 140. This can be accomplished by bringing the substrate support to a lower temperature than the gas manifold (eg, gas line or supply cylinder) used to deposit the non-wetting film. The temperature difference between the substrate support and the gas manifold (and possibly the substrate itself and the gas entering the chamber) may be about 70 ° C. For example, the substrate support may be cooled with liquid nitrogen, the substrate support may be about −194 ° C., and the gas manifold may be at room temperature (eg, about 33 ° C.). As another example, the substrate support may be cooled by a cooler to bring the substrate support to about −40 ° C. and the gas manifold to room temperature (eg, about 33 ° C.). As another example, the substrate support is maintained at about room temperature (eg, about 33 ° C.) and the gas manifold is heated to, eg, about 110 ° C.

分子集合体は、例えばトリデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロオクチルトリクロロシラン(FOTS)や1H,1H,2H,2H−ペルフルオロデシルトリクロロシラン(FDTS)の単分子層を形成するために使用されてもよい前駆体から形成されてもよい。   The molecular assembly is for example to form a monolayer of tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyltrichlorosilane (FOTS) or 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorodecyltrichlorosilane (FDTS). It may be formed from precursors that may be used.

図3Eに示すように、マスク160が流体吐出装置の外面(例えば、少なくともノズル128を囲む領域)に当てられる。マスキング層は、様々な材料で構成されてよい。例えば、テープ、ワックス、又はフォトレジストを、マスクとして使用することができる。マスク160は、それが当てられる表面を、洗浄工程中に生じる除去又は損傷から(例えば酸素プラズマへの露出から)及び/又は後に続く堆積から(例えばオーバーコート層の堆積から)保護する。マスク160は、その下の非湿潤性被覆150を除去、損傷、又は実質的に変質することなく除去されるように、十分に低い接着性を有することができる。   As shown in FIG. 3E, a mask 160 is applied to the outer surface of the fluid ejection device (eg, at least a region surrounding the nozzle 128). The masking layer may be composed of various materials. For example, tape, wax, or photoresist can be used as a mask. Mask 160 protects the surface to which it is applied from removal or damage that occurs during the cleaning process (eg, from exposure to oxygen plasma) and / or from subsequent deposition (eg, from deposition of an overcoat layer). The mask 160 can have sufficiently low adhesion so that the underlying non-wetting coating 150 is removed without being removed, damaged, or substantially altered.

図3Fに示すように、流体吐出装置の流体経路104内の内面は、非湿潤性被膜のマスク160により覆われていない部分を除去する洗浄工程(例えば洗浄ガス(例えば酸素プラズマ)処理)に付される。チャンバ内の基板に酸素プラズマが当てられてもよいし、或いは酸素プラズマの源が流体経路の入口に接続されてもよい。前者の場合、マスク160は、チャンバ内の流体吐出装置の外側の酸素プラズマが外面上の非湿潤性被膜を除去することを防ぐ。後者の場合、マスク160は、酸素プラズマがオリフィスを通って流出して外面の非湿潤性被膜を除去することを防ぐ(この場合、マスクはオリフィス自体だけを覆えば十分である)。   As shown in FIG. 3F, the inner surface of the fluid path 104 of the fluid ejection device is subjected to a cleaning process (for example, a cleaning gas (for example, oxygen plasma) process) for removing a portion of the non-wetting film that is not covered by the mask 160. Is done. Oxygen plasma may be applied to the substrate in the chamber, or a source of oxygen plasma may be connected to the inlet of the fluid path. In the former case, the mask 160 prevents oxygen plasma outside the fluid ejection device in the chamber from removing the non-wetting film on the outer surface. In the latter case, the mask 160 prevents oxygen plasma from flowing through the orifice to remove the non-wetting coating on the outer surface (in this case, the mask need only cover the orifice itself).

図3Gに示すように、洗浄工程後にマスク160が除去され、これにより図1A及び1Bに示す流体吐出装置が提供される。最終完成装置は、非湿潤性である外面とこの非湿潤性面よりも湿潤性が高い内面とを有する流体吐出装置である。   As shown in FIG. 3G, the mask 160 is removed after the cleaning step, thereby providing the fluid ejection device shown in FIGS. 1A and 1B. The final finished device is a fluid ejection device having an outer surface that is non-wetting and an inner surface that is more wettable than the non-wetting surface.

例示的な工程において、酸化シリコンシード層は、第2の工程が第1の工程よりも大きいHO:SiClの分圧比で行われる二段階工程(例えば、第2の工程のHO:SiClの分圧比が2:1より大きい)で堆積される。流体吐出装置の内面及び外面の両方の上のシード層は、次に酸素プラズマ処理される。非湿潤性被膜が、流体吐出装置の内面及び外面の両方の上に分子集合体として形成され、内面は、内面から非湿潤性被膜を除去するために更に酸素プラズマ処理に付され、外面上に分子集合体が残る。 In an exemplary process, the silicon oxide seed layer is a two-step process (eg, H 2 O in the second process) in which the second process is performed at a higher H 2 O: SiCl 4 partial pressure ratio than the first process. : SiCl 4 partial pressure ratio is greater than 2: 1). The seed layer on both the inner and outer surfaces of the fluid ejection device is then oxygen plasma treated. A non-wetting coating is formed as a molecular assembly on both the inner and outer surfaces of the fluid ejection device, and the inner surface is further subjected to an oxygen plasma treatment to remove the non-wetting coating from the inner surface and on the outer surface. A molecular assembly remains.

別の例示的な工程において、酸化シリコンシード層は、「中程度の」HO:SiClの分圧比(例えば約2:1に等しい)の第2の工程の単一工程処理で堆積される。流体吐出装置の内面及び外面の両方の上のシード層は、次に酸素プラズマ処理される。非湿潤性被膜が、流体吐出装置の内面及び外面の両方の上に単分子層(即ち単一の分子の層)として形成され、内面は、内面から非湿潤性被膜を除去するために更に酸素プラズマ処理に付され、外面上に非湿潤性被膜単分子層が残る。 In another exemplary process, the silicon oxide seed layer is deposited in a single step process of the second step with a “medium” H 2 O: SiCl 4 partial pressure ratio (eg, equal to about 2: 1). The The seed layer on both the inner and outer surfaces of the fluid ejection device is then oxygen plasma treated. A non-wetting coating is formed as a monolayer (ie, a layer of a single molecule) on both the inner and outer surfaces of the fluid ejection device, and the inner surface is further oxygenated to remove the non-wetting coating from the inner surface. A plasma treatment is applied, leaving a non-wetting monolayer on the outer surface.

別の実施形態では、図4に示すように、流体吐出装置110は堆積シード層140を有さず、非湿潤性被膜150は流体吐出装置の自然表面(自然酸化物を含み得る)に直接置かれた分子集合体である。   In another embodiment, as shown in FIG. 4, the fluid ejection device 110 does not have a deposited seed layer 140 and the non-wetting coating 150 is placed directly on the natural surface of the fluid ejection device (which may include native oxide). Molecular assembly.

図5Aに示すように、オーバーコート層170を、流体吐出装置の、非湿潤性被膜150の外面上を除き、流体経路を形成する内面上に(例えば、シード層140の表面上に)堆積することができる。   As shown in FIG. 5A, an overcoat layer 170 is deposited on the inner surface (eg, on the surface of the seed layer 140) of the fluid ejection device, except on the outer surface of the non-wetting coating 150, forming the fluid pathway. be able to.

第1に、洗浄工程は、内面(特にノズルの領域)から非湿潤性被膜を除去するためには、完全には有効でないかもしれない。しかしながら、洗浄工程は、その後堆積されるオーバーコート層が、流体吐出装置の内面上に残る非湿潤性に接着してそれを被覆するためには、十分に有効である。いかなる特定理論にも限定されないが、内面に、非湿潤性被膜の区域又は領域とオーバーコート層の接着を可能にするのに十分に大きい露出シード層の他の区域又は領域とが残されてもよいし、或いはオーバーコート層の接着を可能とするように内面上の非湿潤性が損なわれていてもよいであろう。   First, the cleaning process may not be completely effective to remove the non-wetting coating from the inner surface (particularly the nozzle area). However, the cleaning process is sufficiently effective for the subsequently deposited overcoat layer to adhere and cover the non-wetting properties that remain on the inner surface of the fluid ejection device. Without being limited to any particular theory, it may be left on the inner surface with areas or regions of non-wetting coating and other areas or regions of the exposed seed layer that are large enough to allow adhesion of the overcoat layer. Alternatively, non-wetting on the inner surface may be compromised to allow adhesion of the overcoat layer.

第2に、洗浄工程が、内面から非湿潤性被膜150を完全に取り除くのに十分に有効であったとしても、シード層140の外側部分が高い水蒸気分圧で堆積されると、無機層140の外側部分の表面はより高い濃度の−OH基を有する可能性があり、これはいくつかの液体による化学的侵食に対して無機層をより脆弱にする可能性がある。   Second, even though the cleaning process was effective enough to completely remove the non-wetting coating 150 from the inner surface, when the outer portion of the seed layer 140 is deposited at a high water vapor partial pressure, the inorganic layer 140 The surface of the outer part of can have a higher concentration of -OH groups, which can make the inorganic layer more vulnerable to chemical erosion by some liquids.

流体吐出装置の製作は、図5Aに示すように、図3A〜3Fに関して上述したように進めることができる。しかしながら、図5Bに示すように、マスク160が除去される前に、オーバーコート層170は流体吐出装置の露出された(例えば、マスクされていない)内面上に堆積される。オーバーコート層170が堆積された後、マスク160を除去することができる。しかしながら、いくつかの実施形態では、非湿潤性被膜の材料は、堆積中にオーバーコート層が非湿潤性被膜150に接着しないようなものであってもよい(したがって、オーバーコート層の堆積の前にマスクを除去することができるが、オーバーコート層は非湿潤性被膜150に接着せずまたその上に形成されない)。   Fabrication of the fluid ejection device can proceed as described above with respect to FIGS. 3A-3F, as shown in FIG. 5A. However, as shown in FIG. 5B, before the mask 160 is removed, the overcoat layer 170 is deposited on the exposed (eg, unmasked) inner surface of the fluid ejection device. After the overcoat layer 170 is deposited, the mask 160 can be removed. However, in some embodiments, the material of the non-wetting coating may be such that the overcoat layer does not adhere to the non-wetting coating 150 during deposition (and thus prior to deposition of the overcoat layer). The overcoat layer does not adhere to and does not form on the non-wetting coating 150).

オーバーコート層170は、例えば完成装置の内部に、非湿潤性被膜150よりも湿潤性のある露出面を提供する。いくつかの実施形態では、オーバーコート層170は無機酸化物で構成される。例えば、無機酸化物はシリコンを含むことができ、例えば無機酸化物はSiOであってもよい。オーバーコート層170は、上述したCVDなどの従来の手法により堆積されてもよい。上記のように、オーバーコート層が内面に接着するように流体吐出装置の内面から非湿潤性被膜を除去するために、洗浄工程(例えば酸素プラズマ)を用いることができる。更に、同じ装置を、堆積を受ける表面を洗浄するため及びオーバーコート層を堆積するために使用することができる。 The overcoat layer 170 provides an exposed surface that is more wettable than the non-wetting coating 150, for example, within the finished device. In some embodiments, the overcoat layer 170 is composed of an inorganic oxide. For example, the inorganic oxide can include silicon, for example, the inorganic oxide can be SiO 2 . Overcoat layer 170 may be deposited by conventional techniques such as CVD as described above. As described above, a cleaning step (eg, oxygen plasma) can be used to remove the non-wetting film from the inner surface of the fluid ejection device so that the overcoat layer adheres to the inner surface. Furthermore, the same apparatus can be used to clean the surface to be deposited and to deposit the overcoat layer.

いくつかの実施形態では、オーバーコート層170は、シード層140と同じ条件下で堆積されて基本的に同じ材料特性(例えば同じ濡れ性)を有する。オーバーコート層170は、シード層140よりも薄くてもよい。   In some embodiments, the overcoat layer 170 is deposited under the same conditions as the seed layer 140 and has essentially the same material properties (eg, the same wettability). The overcoat layer 170 may be thinner than the seed layer 140.

いくつかの実施形態では、オーバーコート層170は、シード層140とは異なる条件下で堆積されて異なる材料特性を有する。具体的には、オーバーコート層170は、シード層140よりも高い温度で或いは低い水蒸気圧で堆積されてもよい。したがって、オーバーコート層170の表面は、シード層140の表面よりも低い−OH濃度を有することができる。したがって、オーバーコート層は、吐出される液体による化学的侵食をより受けにくい。   In some embodiments, the overcoat layer 170 is deposited under different conditions than the seed layer 140 and has different material properties. Specifically, the overcoat layer 170 may be deposited at a higher temperature than the seed layer 140 or at a lower water vapor pressure. Accordingly, the surface of the overcoat layer 170 can have a lower —OH concentration than the surface of the seed layer 140. Therefore, the overcoat layer is less susceptible to chemical erosion by the discharged liquid.

いくつかの実施形態では、オーバーコート層170は、マスク160の露出面(例えば露出した内面及び外面)も被覆することができる。例えば、マスクが付けられた流体吐出装置100が、オーバーコート層170の前駆体(例えばSiCl及び水蒸気)が導入されるCVD反応装置内に置かれてもよい。このような実施形態では、オーバーコート層が、マスクの外面上と内面のノズルにかかる部分上とに形成される。次いで、マスクが非湿潤性被膜150から除去されると、マスク上のオーバーコート層が除去される。 In some embodiments, overcoat layer 170 can also cover exposed surfaces (eg, exposed inner and outer surfaces) of mask 160. For example, the masked fluid ejection device 100 may be placed in a CVD reactor into which precursors of the overcoat layer 170 (eg, SiCl 4 and water vapor) are introduced. In such an embodiment, an overcoat layer is formed on the outer surface of the mask and on the portion of the inner surface that covers the nozzle. Then, when the mask is removed from the non-wetting coating 150, the overcoat layer on the mask is removed.

別の実施形態では、オーバーコート層170は、露出されたマスク160の外面を被覆しない。これは、オーバーコート層170が内面(例えば、内面の開口にかかる部分)上にだけ堆積されるため、或いはオーバーコート層がマスクに物理的に接着しないため、のいずれかの理由による。前者のケースは、例えば、オーバーコート層170の前駆体(例えばSiCl及び水蒸気)が流体吐出装置の内部露出面(即ち、流体吐出装置から吐出される流体と接触することになる表面)だけに導入されるように、流体吐出装置100に、適切なアタッチメントを備えさせることにより実現可能である。これらの実施形態では、マスク160は、オーバーコート層が外面領域に達するのを防ぐためにノズル128を囲む十分に局所化された領域に付けることができる。 In another embodiment, the overcoat layer 170 does not cover the exposed outer surface of the mask 160. This is due to either the overcoat layer 170 being deposited only on the inner surface (eg, the portion of the inner surface over the opening) or because the overcoat layer does not physically adhere to the mask. In the former case, for example, the precursor (for example, SiCl 4 and water vapor) of the overcoat layer 170 is only on the inner exposed surface of the fluid ejection device (that is, the surface that comes into contact with the fluid ejected from the fluid ejection device). As introduced, it can be realized by providing the fluid ejection device 100 with an appropriate attachment. In these embodiments, the mask 160 can be applied to a sufficiently localized area surrounding the nozzle 128 to prevent the overcoat layer from reaching the outer surface area.

随意的に、オーバーコート層170の堆積の後、オーバーコート層140が酸素Oプラズマ処理工程に付されてもよい。具体的には、内面のオーバーコート層170がOプラズマに晒される。いかなる特定理論にも限定されないが、Oプラズマ処理は、オーバーコート層170の外側部分を緻密にすることができる。酸素プラズマを、SiO層を堆積するために使用されるチャンバとは異なるチャンバ内で(例えば陽極結合プラズマにより)基板に当てることができる。 Optionally, after deposition of overcoat layer 170, overcoat layer 140 may be subjected to an oxygen O 2 plasma treatment step. Specifically, the overcoat layer 170 on the inner surface is exposed to O 2 plasma. Without being limited to any particular theory, the O 2 plasma treatment can make the outer portion of the overcoat layer 170 dense. The oxygen plasma can be applied to the substrate in a chamber different from that used to deposit the SiO 2 layer (eg, by anodic coupled plasma).

例示的な工程では、シード層140は、オーバーコート層170よりも大きいHO:SiClの分圧比で(例えば、より高いHO分圧で)堆積されるが、シード層140及びオーバーコート層170の両方がOプラズマ処理される。 In an exemplary process, the seed layer 140 is deposited with a H 2 O: SiCl 4 partial pressure ratio (eg, at a higher H 2 O partial pressure) that is greater than the overcoat layer 170, but the seed layer 140 and over Both coat layers 170 are O 2 plasma treated.

要約すれば、最終製品において、ノズル128を囲む表面(例えば外面)は非湿潤性であり、吐出される流体と接触する表面(例えば内面)は非湿潤性被膜で被覆された表面よりも湿潤性を有する。   In summary, in the final product, the surface surrounding the nozzle 128 (eg, the outer surface) is non-wetting, and the surface that is in contact with the fluid being discharged (eg, the inner surface) is more wettable than the surface coated with the non-wetting coating. Have

多くの実施形態が説明された。例えば、ノズル層は流路体とは異なる材質であってもよく、同様に膜層は流路体とは異なる材質であってもよい。無機シード層は、CVDにより堆積されるのではなくスパッタリングで形成されてもよい。本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく他の様々な変更が可能であることが理解されるであろう。   A number of embodiments have been described. For example, the nozzle layer may be made of a material different from that of the flow path body, and similarly, the film layer may be made of a material different from that of the flow path body. The inorganic seed layer may be formed by sputtering instead of being deposited by CVD. It will be understood that various other modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention.

Claims (10)

外面と、前記外面内のオリフィスへの流体の流路を画成する内面と、を有する基板と、
前記基板の前記外面の少なくとも一部を被覆し、前記基板とは異なる組成のシード層であって、前記シード層は、第1の密度を有する内側部分と前記内側部分よりも前記基板から遠い外側部分とを含み、前記外側部分は、前記第1の密度よりも高い第2の密度を有する、シード層と、
前記シード層の上の非湿潤性被覆であって、前記外面の少なくとも一部を被覆し、前記流路内に実質的に存在しない、非湿潤性被覆と、
を含み、
前記第1の密度は約2.0g/cm である、
流体吐出装置。
A substrate having an outer surface and an inner surface defining a fluid flow path to an orifice in the outer surface;
A seed layer covering at least a portion of the outer surface of the substrate and having a composition different from that of the substrate, the seed layer having an inner portion having a first density and an outer portion farther from the substrate than the inner portion A seed layer, wherein the outer portion has a second density higher than the first density;
A non-wetting coating on the seed layer, which covers at least a portion of the outer surface and is substantially absent in the flow path;
Only including,
The first density is about 2.0 g / cm 3 ;
Fluid ejection device.
外面と、前記外面内のオリフィスへの流体の流路を画成する内面と、を有する基板と、
前記基板の前記外面の少なくとも一部を被覆し、前記基板とは異なる組成のシード層であって、前記シード層は、第1の密度を有する内側部分と前記内側部分よりも前記基板から遠い外側部分とを含み、前記外側部分は、前記第1の密度よりも高い第2の密度を有する、シード層と、
前記シード層の上の非湿潤性被覆であって、前記外面の少なくとも一部を被覆し、前記流路内に実質的に存在しない、非湿潤性被覆と、
を含み、
前記第2の密度は少なくとも2.4g/cm である、
流体吐出装置。
A substrate having an outer surface and an inner surface defining a fluid flow path to an orifice in the outer surface;
A seed layer covering at least a portion of the outer surface of the substrate and having a composition different from that of the substrate, the seed layer having an inner portion having a first density and an outer portion farther from the substrate than the inner portion A seed layer, wherein the outer portion has a second density higher than the first density;
A non-wetting coating on the seed layer, which covers at least a portion of the outer surface and is substantially absent in the flow path;
Only including,
The second density is at least 2.4 g / cm 3 ;
Fluid ejection device.
前記第2の密度は約2.7g/cmである、請求項に記載の流体吐出装置。 The fluid ejection device of claim 2 , wherein the second density is about 2.7 g / cm 3 . 外面と、前記外面内のオリフィスへの流体の流路を画成する内面と、を有する基板と、
前記基板の前記外面の少なくとも一部を被覆し、前記基板とは異なる組成のシード層であって、前記シード層は、第1の密度を有する内側部分と前記内側部分よりも前記基板から遠い外側部分とを含み、前記外側部分は、前記第1の密度よりも高い第2の密度を有する、シード層と、
前記シード層の上の非湿潤性被覆であって、前記外面の少なくとも一部を被覆し、前記流路内に実質的に存在しない、非湿潤性被覆と、
を含み、
前記第2の密度は、前記第1の密度よりも少なくとも約0.3g/cm 高い、
流体吐出装置。
A substrate having an outer surface and an inner surface defining a fluid flow path to an orifice in the outer surface;
A seed layer covering at least a portion of the outer surface of the substrate and having a composition different from that of the substrate, the seed layer having an inner portion having a first density and an outer portion farther from the substrate than the inner portion A seed layer, wherein the outer portion has a second density higher than the first density;
A non-wetting coating on the seed layer, which covers at least a portion of the outer surface and is substantially absent in the flow path;
Only including,
The second density is at least about 0.3 g / cm 3 higher than the first density ;
Fluid ejection device.
外面と、前記外面内のオリフィスへの流体の流路を画成する内面と、を有する基板と、
前記基板の前記外面の少なくとも一部を被覆し、前記基板とは異なる組成のシード層であって、前記シード層は、第1の密度を有する内側部分と前記内側部分よりも前記基板から遠い外側部分とを含み、前記外側部分は、前記第1の密度よりも高い第2の密度を有する、シード層と、
前記シード層の上の非湿潤性被覆であって、前記外面の少なくとも一部を被覆し、前記流路内に実質的に存在しない、非湿潤性被覆と、
を含み、
前記外側部分の厚さは約40オングストロームである、
流体吐出装置。
A substrate having an outer surface and an inner surface defining a fluid flow path to an orifice in the outer surface;
A seed layer covering at least a portion of the outer surface of the substrate and having a composition different from that of the substrate, the seed layer having an inner portion having a first density and an outer portion farther from the substrate than the inner portion A seed layer, wherein the outer portion has a second density higher than the first density;
A non-wetting coating on the seed layer, which covers at least a portion of the outer surface and is substantially absent in the flow path;
Only including,
The outer portion has a thickness of about 40 Å;
Fluid ejection device.
前記非湿潤性被覆は分子集合体で構成される、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の流体吐出装置。 The non-wetting coating is composed of a molecular assembly, a fluid ejection device according to any one of claims 1 to 5. 前記シード層は二酸化シリコンを含む、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の流体吐出装置。 The seed layer comprises silicon dioxide, the fluid ejecting apparatus according to any one of claims 1 to 6. 前記基板は単結晶シリコンである、請求項に記載の流体吐出装置。 The fluid ejection device according to claim 7 , wherein the substrate is single crystal silicon. 前記非湿潤性被覆は、前記シード層に化学的に結合されたシロキサンを含む、請求項又はに記載の流体吐出装置。 The fluid ejection device according to claim 7 or 8 , wherein the non-wetting coating comprises siloxane chemically bonded to the seed layer. 前記非湿潤性被覆は、トリデカフルオロ1,1,2,2テトラヒドロオクチルトリクロロシラン(FOTS)及び1H,1H,2H,2Hペルフルオロデシル−トリクロロシラン(FDTS)からなる群の少なくとも一つの前駆体で構成される分子を含む、請求項に記載の流体吐出装置。
The non-wetting coating is at least one precursor of the group consisting of tridecafluoro 1,1,2,2 tetrahydrooctyltrichlorosilane (FOTS) and 1H, 1H, 2H, 2H perfluorodecyl-trichlorosilane (FDTS). The fluid ejection device according to claim 9 , comprising molecules to be configured.
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